牺牲阳极

铝阴极水解基本原理

2022-09-19 11:27:43 147小编

铝是较为爽朗的合金,国际标准阻抗-1.66v,在水蒸气江苏舜天队大自然逐步形成几层宽度约为0.01~0.1nm的水解膜,这层水解膜是钛酸钡的,薄而胶质,抗腐蚀差。但,若将铝或其钛放于适度的氢氟酸中,以橡胶制品为阳极,在另加电阻促进作用下,使其表层聚合水解膜,此种方式称作阳极水解。

透过换用相同类别、相同含量的氢氟酸,和掌控水解时的工艺技术前提,能赢得具备相同物理性质、宽度约为几百至几百nm的阳极水解膜,其抗腐蚀,耐腐蚀性和美感等都有明显好转和提升。铝及碳纤维的阳极水解所制的氢氟酸通常为中低机械性能的碱性水溶液,铅或铝做为阳极,仅起极性促进作用。铝或其钛展开阳极水解时,在阳极出现以下生物化学反应:

2Al ---> 6e- + 2Al3+

在阳极出现以下生物化学反应:

6H2O +6e- ---> 3H2 + 6OH-

与此同时酸对铝和聚合的水解膜展开生物化学熔化,其生物化学反应为:

2Al + 6H+ ---> 2Al3+ +3H2

Al2O3 + 6H+ ---> 2Al3+ + 3H2O

水解膜的生长过程就是水解膜不断聚合和不断熔化的过程。

第一段a(曲线ab段):无孔层逐步形成。通电刚开始的几秒到几百秒时间内,铝表层立即聚合几层致密的、具备高绝缘性能的水解膜,宽度约0.01~0.1nm,为几层连续的、无孔的薄膜层,称作无孔层或阻挡层,此膜的出现阻碍了电阻的透过和膜层的继续增厚。无孔层的宽度与逐步形成电压成正比,与水解膜在氢氟酸中的熔化速度成反比。因此,曲线ab段的电压就表现出由零急剧增至最大值。

第二段b(曲线bc段):胶质层逐步形成。随着水解膜的聚合,氢氟酸对膜的熔化促进作用也就开始了。由于聚合的水解膜并不均匀,在膜最薄的地方将首先被熔化出空穴来,氢氟酸就能透过这些空穴到达铝的新鲜表层,电生物化学生物化学反应得以继续展开,电阻减小,电压随之下降(下降幅度为最高值的10~15%),膜上出现胶质层。

第三段c(曲线cd段):胶质层增厚。阳极水解约20s后,电压进入较为平稳而缓慢的上升阶段。表明无孔层在不断地被熔化逐步形成胶质层的与此同时,新的无孔层又在生长,也就是说水解膜中无孔层的聚合速度与熔化速度基本上达到了平衡,故无孔层的宽度不再增加,电压变化也很小。但,此时在孔的底部水解膜的聚合与熔化并没有停止,他们仍在不断展开着,结果使孔的底部逐渐向合金基体内部移动。随着水解时间的延续,孔穴加深逐步形成孔隙,具备孔隙的膜层逐渐加厚。当膜聚合速度和熔化速度达到动态平衡时,即使再延长水解时间,水解膜的宽度也不会再增加,此时应停止阳极水解过程。阳极水解特性曲线与水解膜生长过程如下图所示。在稀硫酸氢氟酸中通以直流和交流电对铝或其钛展开阳极水解处理,可赢得5~20nm厚,吸附性较好的无色透明水解膜。

硫酸阳极水解工艺技术简单,水溶液稳定,操作方便,允许杂质含量范围较宽,电能消耗少,成本低,且几乎能适用于铝及各种碳纤维的加工,所以在国内已得到了广泛的应用。

下表为典型的阳极水解工艺技术:配方及工艺技术前提 直流法

硫酸(g/L) 160~180

铝离子Al3+(g/L) <25

温度(℃) 18~22

阳极电阻密度(A/dm2) 1.2~1.5

电压(V) 16~20

时间(min) 20~40

搅拌 压缩水蒸气 槽液循环

阳极面积/阳极面积 1.5:1 影响水解膜质量的因素主要有:

①硫酸含量:通常采用15%~20%。含量升高,膜的熔化速度加大,膜的生长速度降低,膜的孔隙率高,吸附力强,富有弹性,染色性好(易于染深色),但硬度,耐腐蚀性略差;而降低硫酸含量,则水解膜生长速度加快,膜的孔隙少,硬度高,耐腐蚀性好。

所以,用于防护,装饰及纯装饰加工时,多使用允许含量的上限,即20%含量的硫酸做氢氟酸。

②氢氟酸温度:氢氟酸温度对水解膜质量影响很大。温度升高,膜的熔化速度加大,膜厚降低。当温度为22~30℃时,所得到的膜是柔软的,吸附能力好,但耐腐蚀性相当差;当温度大于30℃时,膜就变得疏松且不均匀,有时甚至不连续,且硬度低,因而失去使用价值;当温度在10~20℃之间时,所聚合的水解膜胶质,吸附能力强,并富有弹性,适宜染色,但膜的硬度低,耐腐蚀性差;当温度低于10℃,水解膜的宽度增大,硬度高,耐腐蚀性好,但孔隙率较低。因此,生产时必须严格掌控氢氟酸的温度。要制取厚而硬的水解膜时,必须降低操作温度,在水解过程中采用压缩水蒸气搅拌和较为低的温度,通常在零度左右展开硬质水解。

③电阻密度:在一定限度内,电阻密度升高,膜生长速度升高,水解时间缩短,聚合膜的孔隙多,易于着色,且硬度和耐腐蚀性升高;电阻密度过高,则会因焦耳热的影响,使零件表层过热和局部水溶液温度升高,膜的熔化速度升高,且有烧毁零件的可能;电阻密度过低,则膜生长速度缓慢,但聚合的膜较致密,硬度和耐腐蚀性降低。

④水解时间:水解时间的选择,取决于氢氟酸含量,温度,阳极电阻密度和所需要的膜厚。相同前提下,当电阻密度恒定时,膜的生长速度与水解时间成正比;但当膜生长到一定宽度时,由于膜电阻升高,影响极性能力,而且由于温升,膜的熔化速度增大,所以膜的生长速度会逐渐降低,到最后不再增加。

⑤搅拌和移动:可促使氢氟酸对流,强化冷却效果,保证水溶液温度的均匀性,不会造成因合金局部升温而导致水解膜的质量下降。

⑥氢氟酸中的杂质:在铝阳极水解所制氢氟酸中可能存在的杂质有Clˉ,Fˉ,NO3ˉ,Cu2+,Al3+,Fe2+等。其中 Clˉ,Fˉ,NO3ˉ使膜的孔隙率增加,表层粗糙和疏松。若其含量超过极限值,甚至会使制件出现腐蚀穿孔(Clˉ应小于0.05g/L,Fˉ应小于0.01g/L);当氢氟酸中Al3+含量超过一定值时,往往使工件表层出现白点或斑状白块,并使膜的吸附性能下降,染色困难(Al3+应小于20g/L);当Cu2+含量达0.02g/L时,水解膜上会出现暗色条纹或黑色斑点;Si2+ 常以悬浮状态存在于氢氟酸中,使氢氟酸微量混浊,以褐色粉状物吸附于膜上。

⑦碳纤维成分:通常来说,铝合金中的其它元素使膜的质量下降,且得到的水解膜没有纯铝上得到的厚,硬度也低,相同成分的碳纤维,在展开阳极水解处理时要注意不能同槽展开。

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